TC4钛合金激光焊接变形与光致等离子体的行为研究

摘要

TC4钛合金由于具有较高比强、耐腐蚀性、耐高温、材料轻等优势而广泛应用于航空航天等行业。但TC4钛合金焊接易出现变形大及焊接未熔透等问题,此外,焊接过程中产生的光致等离子体与焊接稳定性及焊接质量都有着密切的联系。基于此,本文展开了对TC4钛合金激光焊接变形控制及光致等离子体的行为研究。
　　首先,为了减小TC4钛合金薄板激光焊接纵向变形,笔者团队提出了一种采用同步气体冷却法(SGCM)减小焊接变形,然而对于其减小焊接变形的机理仍有待研究。本文建立了常规激光焊接和SGCM激光焊接的模型,对比分析了常规激光焊接和不同参数下SGCM焊接的瞬态温度场、残余应力及变形,从而揭示了SGCM对焊接纵向挠曲变形、纵向残余应力的影响。实验测得焊后变形与模拟所得变形结果吻合较好。当激光束与热沉间距为10 mm,平均换热系数为360W/(m2·K)时,SGCM焊接较常规焊接能减小变形量达71％,纵向残余应力减小21％,纵向塑性应变减小14％。此外,相对于常规焊接而言,采用SGCM焊接获得的焊缝初始β相及马氏体α'相变得细小。
　　其次,论文采用高速相机观察钛合金激光焊接产生的等离子体/金属蒸气形貌变化特征。随着激光功率由700W增大到1200W,等离子体/金属蒸气平均质心高度先减小后增大;随着侧吹保护气体流量的增大,等离子体/金属蒸气平均质心高度下降,平均摆角增大。等离子体/金属蒸气呈现一定周期波动特征,波动周期大部分集中在4000Hz以下。等离子体/金属蒸气由小孔喷发,同轴拍摄小孔发现小孔面积亦有相似的波动周期性,通过协方差矩阵法研究两者变化频域的相关性,研究发现两者均在周期为2000Hz区域附近有很高的相关度。从而从统计学角度证明了等离子体/金属蒸气的周期性波动是由小孔周期性波动引起的。
　　最后,论文分析了TC4钛合金激光焊接产生的光致等离子体的光谱特征,为了提高等离子体的参数计算精度,去除光谱图中的背景谱线,并对谱线进行归一化处理。当激光功率从650W增大到1000W时,计算得到等离子体电子密度为0.64×1016-1.4×1016cm-3,电子温度范围为6100-7000K,并建立了等离子体电子温度与焊接熔深及熔透性的关系。
　　本文通过对钛合金激光焊接变形控制及光致等离子体的行为的研究,为减小焊接变形、焊接未熔透等焊接缺陷及焊接质量实时监测提供了科学方法和理论依据。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

符号表

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 焊接变形研究现状

1．2．1 残余应力研究

1．2．2 变形控制方法研究

1．3 光致等离子体研究现状

1．3．1 光致等离子体的产生与类别

1．3．2 光致等离子体对激光传输的影响

1．3．3 动态振荡研究现状

1．3．4 光致等离子体监测研究现状

1．4 主要研究内容

第2章 实验平台与研究方法

2．1 实验平台搭建

2．1．1 试件制备

2．1．2 焊接系统平台主要设备

2．2 实验研究方法

2．2．1 高速摄影与图像处理方法

2．2．2 光谱测量与分析方法

2．3 本章小结

第3章 激光焊接变形控制及模拟研究

3．1 焊接工艺

3．2 焊接模型

3．2．1 物理过程描述

3．2．2 ANSYS有限元模型

3．2．3 热源与热沉

3．2．4 边界条件和材料属性

3．3 焊缝形状及微观组织

3．4 焊接温度场

3．5 焊接变形

3．6 残余应力

3．6．1 焊接纵向应力的时间历程

3．6．2 焊接残余应力的分布

3．7 本章小结

第4章 激光焊接等离子体／金属蒸气振荡研究

4．1 高速相机拍摄等离子体／金属蒸气特征

4．1．1 激光功率对光致等离子体／金属蒸气的影响

4．1．2 侧吹气体流量对光致等离子体／金属蒸气的影响

4．2 等离子体／金属蒸气波动特征

4．3 小孔波动特征

4．4 等离子体／金属蒸气与小孔相关性研究

4．5 本章小结

第5章 光致等离子体的光谱辐射特征研究

5．1 钛合金焊接孔外光致等离子体谱线特征

5．1．1 光致等离子体光谱测量

5．1．2 光致等离子体温度和电子密度计算

5．2 光谱分析

5．2．1 光谱预处理

5．2．2 预处理后光谱分析

5．3 等离子体对焊接过程实时监测研究

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文